Construya un robot seguidor de línea: simulación a pista

Un seguidor de línea es el mejor primer robot: sensing, decide y se mueve, y aun así cada una de sus partes es lo bastante simple para entenderla por completo. Esta ruta de construcción lo trata exactamente así: como una ruta. En lugar de una lista de piezas y una foto de cableado para copiar, desbloqueas un nodo cada vez, aprendiendo el mecanismo que hay detrás de cada paso antes de construirlo.

Empiezas entendiendo cómo una fila de sensores infrarrojos (IR) se convierte en un único error de dirección, y cómo un lazo proporcional-integral-derivativo (PID) convierte ese error en movimiento suave. Cinco sensores son el punto óptimo para una primera construcción: tres funcionan a baja velocidad pero dan una posición grosera, ocho dan una resolución más fina a alta velocidad pero complican el cableado y la calibración. La media ponderada que colapsa esas lecturas en un único número con signo —negativo cuando la línea está a la izquierda, positivo cuando está a la derecha— es la única señal que el lazo de dirección llega a ver, y por eso acertar ese número importa más que elegir una placa concreta.

Esa señal tiene que convertirse después en dos velocidades de rueda distintas. La tracción diferencial significa que el robot dirige haciendo girar sus ruedas a distinto ritmo, y el árbol tecnológico te lleva desde el controlador de motor en bruto, pasando por la modulación de anchura de pulso (PWM), hasta la cinemática que convierte una única corrección en comandos de izquierda y derecha. También verás dónde encaja la odometría: contar el movimiento de las ruedas te dice cuánto has recorrido, y por qué esa estimación se desvía sin referencia externa —un tema que reaparece en cada robot de laberinto.

Antes de gastar nada o arriesgarte a un cableado mal hecho, ajustas el comportamiento en el simulador del navegador, dibujando un recorrido, cambiando el número y la separación de sensores y arrastrando las ganancias proporcional, integral y derivativa mientras observas el error, el tiempo por vuelta y el tiempo sobre la pista. El simulador es un modelo didáctico, no hardware: supone una pista binaria plana y de alto contraste, calibración ideal, ningún cambio de luz ambiente y un lazo perfectamente periódico sin patinaje. Las ganancias encontradas aquí transfieren como un punto de partida cercano, pero aún tendrás que calibrar la matriz real y reajustar sobre tu propia cinta.

Solo entonces cableas el robot real: salidas de reflectancia a pines capaces de leer analógico, PWM y dirección al L298N (los pines lógicos no pueden entregar corriente de motor: el puente en H dual conmuta la corriente real), una alimentación de motor separada en su propio raíl, y una masa común que ate todos los módulos. El nodo final es el montaje y la iteración sobre un recorrido real pegado con cinta, donde transfieres las ganancias del simulador y ajustas por superficie, tensión de batería y temporización del lazo. La misma estructura reaparece más tarde en el solucionador de laberintos sobre línea —que añade una capa de decisión sobre este seguidor—, así que hacer sólida esta base te ahorra tiempo dos veces.

Sigue el árbol tecnológico de abajo de arriba abajo. Cada nodo se abre cuando sus prerrequisitos están cumplidos, y tu progreso se guarda en este dispositivo, para que puedas construir el robot a lo largo de un fin de semana sin perder el hilo.

Lista de materiales

Total: unos $30–45. La mejora más valiosa de esa lista son los motores con encoders —no para este proyecto, que no los necesita, sino porque un seguidor de línea casi siempre se convierte en un solucionador de laberintos sobre línea, y ese sí los necesita.

Para la pista: cinta negra mate sobre un suelo claro mate. La cinta brillante refleja como si fuera blanca en el ángulo equivocado, y un suelo brillante hace lo mismo, lo que produce un robot que funciona en una superficie y en otra no por razones que parecen de software.

Cómo se conecta todo

Dos fallos explican casi todos los problemas de la primera puesta en marcha, y ninguno produce un mensaje de error. Una masa común ausente significa que las señales de dirección no tienen referencia, así que nada se mueve mientras todo parece cableado correctamente. Corriente de motor pasando por el Arduino Hunde el raíl de 5 V, reinicia la placa y se manifiesta como un fallo de software.

Constrúyelo por hitos

No cablees el robot entero y luego lo depures. Cada etapa de abajo tiene una prueba, y una etapa que no supera su prueba se esconderá dentro de la siguiente.

El hito 6 es el que la gente se salta y no debería. Si la señal de posición da saltos cuando la línea cruza entre dos sensores, ningún lazo de control se puede ajustar: la discontinuidad parece un error súbito enorme, y el robot dará un tirón exactamente ahí en cada vuelta. Un salto ahí significa que o la matriz no está calibrada por canal, o el umbral de un canal lo está descartando demasiado pronto.

Qué significa hacerlo bien

La frecuencia del lazo merece atención porque limita en silencio todo lo demás. Un lazo de control a 50 Hz ve la línea cada 20 ms, y a 0.5 m/s eso son 10 mm de recorrido entre decisiones. Quitar todos los delay() del lazo y leer solo los sensores que usas suele llevar una primera construcción de 50 Hz a varios cientos, y el seguimiento mejora sin tocar ninguna ganancia.

Resolución de problemas

Hacia dónde llevarlo después

El seguidor de línea es deliberadamente una base, y tres direcciones se construyen directamente sobre él.

Añade detección de cruces y se convierte en un solucionador de laberintos sobre línea —el mismo lazo PID debajo, con una capa de decisión fina encima que clasifica las ramas y recuerda la ruta. Este es el mejor proyecto siguiente, porque reutiliza todo esto y añade una idea realmente nueva.

Añade encoders y podrás mantener una velocidad comandada en vez de un duty comandado, lo que elimina por completo el problema de “se degrada cuando se descarga la batería” y hace que el ajuste sea estable durante toda la ejecución.

Ve más rápido, que es más difícil de lo que parece y es lo que más enseña. La velocidad descubre todas las aproximaciones: la frecuencia del lazo pasa a ser el límite, la matriz necesita estar más adelante para ganar tiempo de anticipación, las esquinas hay que frenarlas antes de llegar en lugar de después, y los neumáticos empiezan a patinar. Esa última es la pared: mira patinaje de rueda y tracción para ver dónde está.